探究不同构型振荡水柱（OWC）水动力性能：优化海洋波能转换的关键进展

为解决如何优化振荡水柱（OWC）水动力性能、提高波能转换效率的问题，研究人员开展了不同构型 OWC 在规则和随机波条件下的水动力性能研究。结果表明 CEFLW - OWC 水动力效率最高，该研究为 OWC 与半圆弧防波堤（SCBW）集成提供参考。

　　在全球变暖的大背景下，人类对可再生清洁能源的需求愈发迫切。海洋中蕴含着丰富的能量，其中波浪能作为一种可再生的绿色能源，受到了广泛关注。振荡水柱（OWC）作为一种重要的波浪能转换装置，近年来成为研究热点。然而，目前关于 OWC 的研究仍存在诸多问题。一方面，在孤立条件下确定高效 OWC 的研究较多，但考虑其与综合应用结构（如防波堤）结合时，针对 OWC 前唇壁优化的研究却很少。另一方面，OWC 的水动力性能受到多种因素影响，如前唇壁形状、波浪特性等，这些因素之间的复杂关系尚未完全明晰。为了填补这些研究空白，探索 OWC 更高效的应用方式，研究人员开展了此次研究。

研究人员对四种不同构型的 OWC，即 FD - OWC（Forward Duct OWC）、CFLW - OWC（Curved Front Lip Wall OWC）、CVFLW - OWC（Curved Vertical Front Lip Wall）和 CEFLW - OWC（Curved Edged Front Lip Wall OWC）进行研究，这些构型的差异主要体现在前唇壁设计上。研究结果发表在《Applied Ocean Research》上，对海洋波能转换领域具有重要意义。

在本次研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，采用基于开源计算流体动力学软件包（OpenFOAM）建立三维数值模型。通过该模型求解连续性方程和动量方程，模拟水流运动。其次，利用 interFoam 求解器生成稳定的规则波和随机波，同时采用 isoAdvector 方法改进计算界面平流算法，提高波生成的准确性。此外，构建数值波浪水槽，设定合适的边界条件，进行收敛性研究确定最佳网格尺寸和时间步长，并与已有实验结果进行验证。

研究结果

1. 不同 OWC 构型的描述：FD - OWC 类似传统 OWC，底部增加向海的管道；CFLW - OWC 前唇壁为凸形半圆曲线；CVFLW - OWC 前唇壁由凸形曲线和垂直部分组成；CEFLW - OWC 在垂直前唇壁底部边缘有凹形曲线部分。通过详细的参数设定，明确了各模型的几何特征。
2. OWC 行为的研究：研究不同波高和周期的规则波在不同相对水深（d/L）条件下对 OWC 的影响。结果发现，低 H/L（0.01 - 0.02）范围的波浪使 OWC 具有较高的水动力效率。通过设定特定的空气开口比、前开口比和模型壁厚，在数值波浪水槽中进行测量。
3. 规则波的水动力分析
   • 波浪特征和压力变化：分析了不同 OWC 内部的波浪特征、波放大因子（β）、波功率吸收系数（WPA）等参数。结果显示，β 在长波和 CEFLW - OWC 中较高，这与腔室长度有关，CEFLW - OWC 腔室长度最短，水振荡最大。非维度动态水压在 OWC 外部高于内部，FD - OWC 的 PR_fout最大，CEFLW - OWC 的 PR_fin最大。
   • 空气压力和效率：非维度空气压力（PR_air）在长波和陡坡波中较高，CVFLW - OWC 的 PR_air相对较高。WPA 方面，CEFLW - OWC 最高，FD - OWC 最低。OWC 系统效率（λ_eff）在 d/L 为 0.1 - 0.2 时增加，之后下降，CEFLW - OWC 效率最高，可达 69%。
   
   
4. 随机波的水动力分析：对在规则波中表现最佳的 CEFLW - OWC 进行随机波分析，采用 Pierson - Moskowitz（PM）谱。结果表明，β_ran在低有效波高时占主导，PR_{air ran}在高有效波高时最大，λ_{eff ran}在低有效波高时较高，随机波结果与规则波趋势相符，但存在非线性效应导致的偏差。
5. 空气和水速度等值线：通过水速度等值线和空气速度等值线，直观展示了不同 OWC 在波浪作用下的水流和气流模式。FD - OWC 限制了波浪进入腔室，而其他三种 OWC 水颗粒穿透相对容易。空气速度等值线显示，FD - OWC 的气流变化相对较小。

研究结论与讨论

通过对四种不同构型 OWC 在规则波和随机波条件下的水动力性能研究，研究人员得出以下重要结论：数值结果与实验结果的验证表明，晃荡频率对自由表面高程有显著影响。波放大因子 β 受波浪周期和腔室长度影响，长波条件下 β 较高。不同 OWC 的动态水压和空气压力变化不同，CEFLW - OWC 在波功率吸收和系统效率方面表现最佳。低陡波在水动力效率、波放大和波功率吸收方面表现更优，而高陡波产生更高的水和空气压力。通过对空气和水速度的研究，深入了解了 OWC 腔室周围的流体流动行为。

这些结论为 OWC 的进一步研究和应用提供了重要参考。CEFLW - OWC 在能量转换方面的优异表现，使其成为与半圆弧防波堤（SCBW）集成研究的理想选择。同时，研究也指出前唇壁的形状在能量转换中起着关键作用，即使腔室长度较小。这为后续研究聚焦于 OWC 向海一侧的波浪能量耗散提供了方向，有助于进一步优化 OWC 设计，提高海洋波能转换效率，推动海洋可再生能源的开发与利用。